在大跨度建筑结构中, 在人的活动或者其他结构动力作用下, 随着楼盖结构跨度的不断增大, 楼盖振动的频率会逐渐变小, 峰值加速度增大, 达到一定的限度就会引起使用者的不安全感, 使建筑结构不能正常使用, 这就是舒适度问题^[1]。同时由于科学技术的发展, 出现了许多新型结构形式以及轻型高强材料, 使用这些先进的技术能够更好地满足结构在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的要求, 同时可以做到降低工程造价^[2,3,4,5]。然而, 这些楼盖由于自重较轻, 柔度偏大, 在楼盖振动时更容易引起使用者的不安全感。当建筑结构产生了舒适度问题时, 往往需要对结构进行技术处理, 但是也会耗费大量的时间和成本。实际工程中, 在楼盖上增加阻尼器是常用的技术措施。故在进行建筑结构设计时, 应该充分考虑舒适度问题^[6]。U形钢-混凝土组合空腹夹层板体系作为新型的建筑楼盖结构体系, 同样存在上述问题, 因此, 研究其舒适度是非常必要的, 本文将主要对该种楼盖结构体系进行模态分析和舒适度现场实测分析。

　　 舒适度的评价标准主要有三个指标:1) 基于振幅的评价标准, 由于结构振动一般以低阶振型为主, 故该指标一般是以第1阶振型对应的最大振幅来评价的;2) 基于自振频率的评价标准, 由于人活动的频率主要在1～3Hz范围内, 而自振频率是结构的固有特性, 一般以第1阶自振频率为最小, 故通常要求第1阶自振频率大于规范要求的限值, 每个国家的限值要求不同, 例如, 我国《高层民用建筑钢结构技术规范》规定组合楼板的自振频率≥15Hz, 而欧洲相关规定为楼板的自振频率≥15Hz, 加拿大规定为楼板的自振频率>5Hz;3) 基于峰值加速度的评价标准, 加拿大国家建筑法规NBC-2010早期的舒适度评价主要采用基于振幅的评价标准, 但是随着建筑结构的发展, 这种标准已经不能适应工程的需要, 而基于峰值加速度的评价标准相对来说更加合理^[7]。如何对楼盖的振动进行有效的评价, 到目前为止仍然没有一个统一的、得到大家一致认可的理论体系, 不同国家采用了不同的评价标准, 对同一个建筑的舒适度评价而言, 在不同的国家都会产生不同的评价结果。《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[8]第3.7.7条规定:楼盖结构应具有适宜的舒适度, 楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz, 竖向振动加速度峰值不应超过表1中的限值。

　　 《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[9]第3.4.6条规定:对混凝土楼盖结构应根据使用功能的要求进行竖向自振频率验算, 并宜符合下列要求:1) 住宅和公寓不宜低于5Hz;2) 办公楼和旅馆不宜低于4Hz;3) 大跨度公共建筑不宜低于3Hz。

　　 贵州省博物馆工程 (图1) 为获得大跨度展馆楼盖, 在多个楼层采用U形钢-混凝土组合空腹夹层板, 且楼板为异形平面。为保护博物馆内馆藏文物免受环境振动影响, 根据《城市区域环境振动标准》 (GB 1070—88) ^[10]及《城市区域环境振动测量方法》 (10071—88) , 博物馆振动环境功能区类别应为I类 (最高类别) , 其对振动限值要求较一般建筑高。红军长征馆位于17.000m标高, 应建筑功能要求, 楼盖结构跨度大 (达31.2m) 、平面异形, 其自振频率较低, 可能在人和其他环境作用下产生较大振动, 对文物保护不利。因此, 对该大跨度楼盖进行振动舒适度性能测试, 确切了解人活动和环境激励对楼盖振动性能的影响, 以满足博物馆文物保护对环境振动的要求。结构平面布置及模态测点布置见图2。

　　 现场试验采用的仪器主要有:采集仪一台、信号放大器和加速度传感器 (图3) 若干。加速度的主要参数为:分析频率78.1Hz, 采样频率200Hz;采样模式:连续采集;触发方式:自由触发;时域点数1 024, 频域点数400, 每批采样时间30min, 待仪器正常工作以后开始正式测试。图4为现场测点布置, 图5为试验测点布置。本试验分为模态试验、楼盖振动舒适度试验。其中模态试验步骤为:测点规划→测点布置→测点处理→检测批规划→传感器布置→数据监测→数据处理。通过模态测试进行参数识别, 来获取楼盖竖向振动参数, 主要包括频率、阻尼以及相应的振型。楼盖振动舒适度试验步骤为:测点规划→测点布置→工况设计→传感器布置→加速度监测→数据处理。通过实测得出楼盖竖向加速度的数值, 以此评价楼盖的舒适度。

　　 本文采用环境随机激励进行测试, 即在博物馆红军长征馆进行现场实测时, 其他馆不进行任何作业与激励。在模态试验分析时, 并不进行人员活动, 主要测试由于结构自身振动引起楼盖的振动;在进行舒适度试验分析时, 主要考虑在红军长征馆内人员的活动所引起的整个楼盖的振动。主要采用优泰模态分析系统对数据进行分析, 分析频率设置为0～50Hz, 分析时采用频域法模态拟合^[11]的方法。根据实际需要, 在进行舒适度试验时, 共设计6种振动工况, 分别为:1) 工况1, 单人 (步频2.0Hz) 以及多人 (步频2.2Hz) 按预定路线行走激励。单人 (质量65kg, 下同) 以及多人以不同的步行频率分别按预定的线路行走 (图2中从测点20至测点25的方向为预定线路方向, 工况4中的线路与工况1相同) 。2) 工况2, 单人 (步频1.8Hz) 以及多人 (步频2.2Hz) 原地踏步激励。单人以及多人以不同的频率分别在楼盖不同位置的6个测点 (图5) 进行原地踏步激励, 同时考虑地毯减振作用。3) 工况3, 原地跳跃激励。单人 (步频2.0Hz) 以及多人 (步频2.3Hz) 以不同的频率分别在楼盖不同位置的6个测点进行原地跳跃激励, 同时考虑地毯减振作用。4) 工况4, 单人 (步频3.4Hz) 以及多人 (步频3.9Hz) 沿固定路线跑步激励。5) 工况5, 多人 (步频2.2Hz) 原地踏步激励。9个人同时位于跨中位置, 分别在没有减振垫和有减振垫的情况下以不同的频率原地踏步。6) 工况6, 多人 (步频2.3Hz) 原地跳跃激励。9个人同时位于跨中位置, 分别在没有减振垫和有减振垫的情况下以不同的频率原地跳跃。本文中的有减振垫主要是指地毯垫减振。

　　 采用频域法模态拟合对U形钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖实测数据进行分析, 得到实测各阶模态的频率, 其中前6阶自振频率见表2, 实测前6阶模态见图6, 有限元分析得到的前6阶模态见图7。

　　 从表2可以看出, 前6阶自振频率的实测值和计算值较为接近, 第1, 2, 5, 6阶频率的有限元计算值略低于实测值, 主要是由于隔墙的刚度原因导致。有限元分析时数值模型的约束相比实际结构更为严格, 实际上结构楼盖在支座处的支撑具有一定的转角, 并非是刚性固接。有限元与实测频率的结果最大相对误差为30.01%, 说明本文中应用的有限元模型是可行的, 并且具有较好的精度。在楼盖第1阶自振频率中, 有限元分析和实测频率分析结果均大于3Hz, 不会与人员的活动频率产生共振, 说明楼盖频率满足规范要求。结构实测阻尼比除第2阶频率中阻尼比为0.018 8, 小于0.02以外, 其他阶数均满足大于0.02的要求。通过对比图6, 7可以看出, 有限元分析得到的楼盖竖向各阶模态振型与实测结果基本一致。

　　 现场实测提取各工况加速度, 各工况测点加速度时程曲线如图8所示, 其中工况1～4曲线均为多人激励下的加速度曲线, 由于单人激励产生的加速度较多人产生的加速度小很多, 所以文中未列出。

　　 由图8 (a) 可见, 多人沿特定路线行走时, 从楼盖支座处向楼盖中心位置移动时, 加速度出现逐渐增大的现象。由图8 (b) 可见, 从人开始踏步时, 加速度迅速增大, 加速度较为均匀, 当停止踏步时, 加速度迅速衰减。由图8 (c) 可见, 多人跳跃的曲线形状与原地踏步加速度时程曲线类似。由图8 (d) 可见, 多人沿特定路线跑步时加速度时程曲线形状与多人沿特定路线行走时的时程曲线类似。由图8 (e) , (f) 可见, 多人原地踏步与原地跳跃的加速度时程曲线形状类似。从加速度峰值上大致可以看出, 多人原地跳跃的加速度峰值大于多人原地踏步和多人沿特定路线行走的加速度峰值。多人沿特定路线行走的加速度峰值稍大于多人固定点原地踏步的加速度峰值。多人沿特定路线跑步行走的加速度峰值与多人定点跳跃的加速度峰值接近。9人原地跳跃的加速度峰值大约是9人原地踏步加速度峰值的两倍。表3为各工况实测加速度峰值, 表4为各工况加速度绝对最大值。表3中工况1～4的工况号均表示为工况类型-激励人数-激励人频率;工况5, 6中工况号均表示为工况类型-有无减振垫-激励人频率, 其中1表示无减振垫, 2表示有减振垫。

　　 由表3可以看出, 在不同工况作用下, 随着激励荷载频率的增大, 楼盖峰值加速度逐渐增大, 主要是由于当激励荷载频率逐步增大, 慢慢接近结构的自振频率, 容易发生共振。通过工况5, 6实测加速度峰值可以看出, 工况5中, 设置减振垫后加速度正值和加速度负值下降比较明显。工况6设置减振垫后, 只有工况6-1-2.0和工况6-2-2.0出现加速度正值与负值减小, 而其他4种工况出现加速度增大的趋势, 设置减振垫后, 舒适度减小不明显, 所以在实际工程中应该采取合理的减振垫来达到减小楼板振动的目的。表4中各工况中加速度数据均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) 、《城市区域环境振动标准》 (GB 1070—88) 、《博物馆建筑设计规范》 (JGJ 66—2015) ^[12]小于0.05g的要求, 即本实测数据均满足规范关于人体舒适度、公共建筑环境振动、易碎易损文物防微振动的要求。

　　 (1) 有限元计算与现场实测分析所得的大跨度U形钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖频率均满足规范大于等于3Hz的要求。

　　 (2) 模态分析中有限元计算和实测分析的频率计算结果相差不大, 有限元模型合理, 计算结果具有较高的精度。

　　 (3) 楼板竖向加速度实测结果满足加速度小于0.05g要求, 说明大跨度U形钢-混凝土组合空腹夹层板楼盖满足规范舒适度要求, 具有较好整体刚度。